Pesquisadores da Universidade Cornell descobriram um estado de “vidro de spin quântico” na computação quântica, fornecendo insights sobre correção de erros e revelando instruções ocultas em algoritmos quânticos, potencialmente levando a novas classificações de estado quântico e avanços na computação quântica.

No nível microscópico, o vidro das janelas exibe uma curiosa mistura de propriedades. Seus átomos são desordenados como os de um líquido, mas têm a rigidez de um sólido; quando uma força é aplicada a um átomo, ela afeta todos os outros átomos. Os físicos usam essa metáfora para descrever um estado quântico conhecido como "vidro de spin quântico", no qual os bits da mecânica quântica (qubits) em computadores quânticos exibem desordem (tendo valores aparentemente aleatórios) e rigidez (quando um qubit vira, o mesmo acontece com todos os outros qubits). Uma equipe de pesquisadores da Universidade Cornell descobriu acidentalmente a existência desse estado quântico enquanto trabalhava em um projeto de pesquisa que visava compreender melhor os algoritmos quânticos e novas estratégias relacionadas para correção de erros na computação quântica.

"Medir a posição de uma partícula quântica muda seu momento e vice-versa. Da mesma forma, para qubits, existem quantidades que mudam umas às outras quando medidas. Descobrimos que certas sequências aleatórias dessas medições incompatíveis podem levar à formação de vidro de spin quântico, "disse Erich Mueller, professor de física na Faculdade de Artes e Ciências (A&S) da Universidade Cornell. “Uma implicação do nosso trabalho é que certos tipos de informação são automaticamente protegidos em algoritmos quânticos que compartilham características com o nosso modelo”.

A pesquisa foi publicada recentemente na Physical Review B. O primeiro autor é Vaibhav Sharma, Ph.D. estudante de física.

Chaoming Jian, professor assistente de física, é coautor com Mueller. Todos os três estão envolvidos em pesquisas no Laboratório de Física Atômica e do Estado Sólido (LASSP) da Universidade Cornell. Esta pesquisa foi apoiada por uma bolsa do Fundo Novas Fronteiras da Faculdade de Artes e Ciências.

“Estamos tentando compreender as características universais dos algoritmos quânticos – características que transcendem qualquer algoritmo específico”, disse Sharma. "Nossa estratégia para descobrir essas características universais é estudar algoritmos estocásticos. Descobrimos que certas classes de algoritmos levam a uma ordem oculta de 'vidro giratório'. Estamos agora procurando outras formas de ordem oculta e pensamos que isso nos dará uma nova taxonomia de estados quânticos."

Um algoritmo aleatório é aquele que incorpora algum grau de aleatoriedade como parte do algoritmo - por exemplo, usando números aleatórios para decidir o que fazer a seguir.

Avanços na correção quântica de erros

A proposta de concessão de Novas Fronteiras de Mueller para 2021, "Correção de Erros do Subsistema Quântico Autônomo", visa simplificar a arquitetura do computador quântico, desenvolvendo uma nova estratégia para corrigir erros do processador quântico causados ​​por ruído ambiental - qualquer coisa como raios cósmicos ou campos magnéticos que interfiram nos qubits de um computador quântico, corrompendo informações.

Mueller disse que os bits nos sistemas de computador clássicos são protegidos por códigos de correção de erros; as informações são copiadas para que, se "virar um pouco", você possa detectá-las e corrigir o erro. "Para que a computação quântica funcione agora e no futuro, precisamos encontrar maneiras de proteger os qubits da mesma maneira. A chave para a correção de erros é a redundância. Se eu enviar três cópias de um bit, você pode dizer se há um erro comparando os bits entre si. Pegamos emprestada a linguagem da criptografia para falar sobre essa estratégia e chamamos conjuntos repetidos de bits de 'cifras'."

Quando Muller e sua equipe descobriram a ordem do spin glass, eles estavam trabalhando em uma abordagem geral para usar múltiplas palavras codificadas para representar a mesma informação. Por exemplo, em um código de subsistema, o bit “1” pode ser armazenado de 4 maneiras diferentes: 111, 100, 101 e 001. Os graus extras de liberdade no código do subsistema quântico simplificam o processo de detecção e correção de erros.

Os pesquisadores enfatizaram que, quando iniciaram este estudo, não estavam simplesmente tentando gerar um esquema melhor de proteção contra erros. Em vez disso, eles estão estudando algoritmos estocásticos para compreender as propriedades gerais de todos esses algoritmos.

“Curiosamente, encontramos estruturas extraordinárias”, disse Müller. “O mais impressionante é a presença desta ordem de spin glass, o que sugere que há alguma informação oculta adicional flutuando que deveria de alguma forma ser usada em cálculos, embora ainda não saibamos como”.

Referência Vaibhav Sharma, Chao-Ming Jian e Erich J. Mueller, 31 de julho de 2023, Physical Review B, "Simetria de subsistema, ordem de spin glass e criticidade de medições estocásticas em circuitos bidimensionais de Beken-Shaw."

DOI:10.1103/PhysRevB.108.024205

Fonte compilada: ScitechDaily